薄壁结构件的单侧激光喷丸强化方法技术

本发明专利技术提供了一种薄壁结构件的单侧激光喷丸强化方法，其包括如下步骤：S1、对薄壁结构件进行厚度分析，筛选出N个特征厚度值；S2、确定薄壁结构件各厚度处的最优光斑尺寸；S3、确定薄壁结构件的激光喷丸路径；S4、以步骤S3所述的激光喷丸路径对薄壁结构件进行激光喷丸；其中，当所述薄壁结构件为等厚度薄壁结构件时，N＝1；当所述薄壁结构件为变厚度薄壁结构件时，N≥2。与现有技术相比，本发明专利技术具有如下的有益效果：1、不借助外部夹具或者垫片，仅通过工艺参数的优化实现变形控制，提高了方法的通用性；2、仅通过单侧激光喷丸强化就能够在薄壁结构两侧均获得残余压应力，提高了对复杂结构强化的适用性。

Single side laser shot peening for thin-walled structures

The invention provides a unilateral laser shot peening strengthening method for thin-walled structural parts, which comprises the following steps: S1, analyzing the thickness of thin-walled structural parts, screening out N characteristic thickness values; S2, determining the optimal spot size at each thickness of thin-walled structural parts; S3, determining the laser shot peening path of thin-walled structural parts; S4, taking steps. The laser shot peening path described in Sudden S 3 is used for laser shot peening of thin-walled structural parts, where N = 1 when the thin-walled structural parts are thin-walled structural parts of equal thickness, and N < 2 when the thin-walled structural parts are thin-walled structural parts with variable thickness. Compared with the prior art, the present invention has the following beneficial effects: 1. Without the aid of external fixtures or gaskets, the deformation control can be realized only by optimizing the process parameters, thus improving the universality of the method; 2. The residual compressive stress can be obtained on both sides of the thin-walled structure only by unilateral laser shot peening, and the complex junction can be improved. Applicability of structural reinforcement.

【技术实现步骤摘要】
薄壁结构件的单侧激光喷丸强化方法
本专利技术涉及机械制造领域，具体地，涉及一种薄壁结构单侧激光喷丸强化工艺方法，其不借助外部夹具或者垫片，仅通过工艺参数的优化使得在对航空发动机涡轮叶片叶缘等变厚度薄壁结构进行单侧激光喷丸强化的同时实现变形控制。
技术介绍
航空发动机在服役过程中，其叶片叶缘容易受到外物损伤和高周疲劳的影响而产生疲劳破坏。激光喷丸强化技术是实现航空发动机叶片表面强化，提高叶片的抗疲劳和抗异物撞击损伤性能的有效方法，对于延长叶片的使用寿命和提高航空发动机的运行可靠性具有十分重要的意义。但是叶片叶缘的厚度只有0.4～0.6mm，是典型的变厚度薄壁结构件，在激光喷丸强化的同时总是伴随着叶缘的变形，而这些变形会对叶片的空气动力学性能产生很大的影响，因此需要建立变厚度薄壁结构的激光喷丸强化工艺方法，在实现强化的同时减少其扭曲变形。已有的解决方案是通过双侧激光冲击来控制变形。而双侧冲击又分为双侧同步和双侧异步，双侧同步冲击因为载荷对称，从理论上讲就不存在变形，但是由于应力波在试样中间的叠加，因此有产生内部裂纹的风险，而且，由于需要双侧同步冲击也增加了光路的复杂性和控制的困难。双侧异步冲击没有应力波叠加的问题，对于平板也能有效地控制住变形，但是对于一些扭曲的叶片会出现变形不可控的问题。而且，对于如整体叶盘一类互相有一定遮挡的工件，光路不完全可达，想要实现双侧冲击变得更加困难。因此，本专利技术提供了一种单侧激光喷丸强化的工艺方法。申请号为201310224538.6的专利技术公开的一种激光冲击飞机涡轮叶片的方法和装置，其通过设计与叶片形状相匹配的柔性夹具与垫片来抑制变形，再加上工艺参数的优化来实现变形控制。但是该专利技术针对不同造型的叶片需要单独设计夹具，系统复杂，通用性不够。此外，申请号为201310040844.4的专利技术公开的一种激光冲击处理发动机叶片的组合方法及装置，其通过控制叶片的残余应力场，用增加强化和未强化区域之间平缓过渡区域的方式，来达到提高叶片疲劳寿命的目的，专利技术中并未涉及叶片变形的控制。此外，申请号为201710065831.0的专利技术公开的一种涡轮叶片主导边双面异步激光冲击强化方法，和申请号为201710065820.2的专利技术公开的一种用于涡轮叶片主导边双面同步激光冲击强化的方法，都是通过双侧激光喷丸强化的方式实现变形控制，但是双侧的光路系统增加了系统结构的复杂性和编程的困难度，并且对于整体叶盘这一类有光路干涉结构的工件，需要额外设计导光系统来实现双侧的激光喷丸强化。此外，申请号为EP02250594.5的专利技术公开的一种用于整体叶盘的双侧同步激光喷丸方法，通过两束倾斜入射的激光以及调整整体叶盘的位姿，用椭圆形的光斑形状对叶片进行双侧的激光喷丸强化，但是其同样存在结构复杂、编程控制困难的问题。综上所述，现有的关于航空发动机涡轮叶片叶缘等变厚度薄壁结构的激光喷丸强化方法中并没有一个不借助外部夹具、完全通过工艺参数优化的单侧激光喷丸强化的变形控制方法。所以，亟需一种可以适应变厚度薄壁结构激光喷丸强化的变形控制方法。
技术实现思路
针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种薄壁结构单侧激光喷丸强化工艺方法，能够不借助外部夹具或者垫片，仅通过工艺参数的优化和单侧激光喷丸使得在对航空发动机涡轮叶片叶缘等薄壁结构进行强化的同时实现变形控制。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术提供一种薄壁结构单侧激光喷丸强化方法，其包括如下步骤：S1、对薄壁结构件进行厚度分析，筛选出N个特征厚度值；S2、确定薄壁结构件不同厚度处的最优光斑尺寸；S3、确定薄壁结构件的激光喷丸路径；S4、以步骤S3所述的激光喷丸路径对薄壁结构件进行激光喷丸；其中，当所述薄壁结构件为等厚度薄壁结构件时，N＝1；当所述薄壁结构件为变厚度薄壁结构件时，N≥2。作为优选方案，所述厚度分析的方法为：对薄壁结构件的三维数字模型进行厚度分析或对实体件用测厚仪进行厚度测量。作为优选方案，所述最优光斑尺寸的确定方法为：选取单一厚度的刀口试件，进行不通过光斑尺寸的单侧激光喷丸强化，根据不同光斑尺寸激光喷丸强化得到的刀口试件端部位移变化曲线，所述变化曲线与零位移线的交点即为该厚度对应的最优光斑尺寸。作为优选方案，所述刀口试件包括试件主体和与所述试件主体一体成型的第一台阶部，所述试件主体的两侧表面各设有一个压板，所述压板的上表面与第一台阶部的上表面相平齐，形成第二台阶部，所述第一台阶部的厚度为试件主体厚度的3～4倍，两个台阶部保证了刀口试件变形量最大点在没有台阶面的刀尖处。作为优选方案，所述激光喷丸路径的确定方法为：将N个特征厚度值及其对应的最优光斑尺寸拟合成一条曲线d＝f(t)，按照不同厚度值对应的最优光斑尺寸，对所有强化区域进行单侧激光喷丸强化，其中，d为最优光斑尺寸，t为冲击点的厚度值。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1、不借助外部夹具或者垫片，仅通过工艺参数的优化实现变形控制，提高了方法的通用性；2、仅通过单侧激光喷丸强化就能够在薄壁结构两侧均获得残余压应力，提高了对复杂结构强化的适用性；3、两边约束的刀口试件使其激光喷丸强化后的最大变形集中在刀口，便于测量，而单边螺栓拧紧的方式降低了加工难度和实验成本；4、常用的薄壁结构材料为TC4或TC17钛合金，对于已经获得最优光斑尺寸的特征厚度及对应材料，不用重复通过实验确定最优光斑尺寸；5、本领域技术人员通常认为光斑尺寸仅仅影响激光喷丸的效率，常采用改变脉冲能量的方式进行工艺参数的优化。本专利技术通过减小光斑尺寸确定不变形的平衡点，解决了直径为4mm的光斑不能通过改变脉冲能量来找到不变形的平衡点的技术问题。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术所提供的刀口试件及喷丸路径测量路径示意图；图2为本专利技术所用刀口试件的俯视图；图3为本专利技术所用刀口试件的侧视图；图4为本专利技术中的0.5mm厚TC4钛合金试件在7.96GW/cm2功率密度激光喷丸强化后的变形与光斑尺寸的关系曲线；图5为本专利技术中的0.5mm厚TC4钛合金试件在7.96GW/cm2功率密度激光喷丸强化后的残余应力与光斑尺寸的关系曲线；图6为本专利技术中的最优光斑尺寸与冲击点厚度的关系曲线；图7为本专利技术中的光斑尺寸及激光喷丸路径示意图；图中：1、光斑；2、喷丸路径；3、喷丸区；4、压板；5、螺栓；6、螺母；7、变形测量路径；8、第一台阶部；9、试件主体。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。图1为本专利技术提供的刀口试件及喷丸路径测量路径示意图，所述刀口试件包括试件主体9和与试件主体9一体成型的第一台阶部8，试件主体9的两侧表面各通过螺栓5和螺母6固设有一个压板4，压板4的上表面与第一台阶部8的上表面相平齐，形成第二台阶部，第一台阶部8的厚度为试件主体9厚度的3～4倍，两个台阶部保证了刀口试件变形量最大点在没有台阶面的刀尖处。喷丸区3靠近刀口端点，喷丸路径2为从内向外进行，光斑1的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种薄壁结构件的单侧激光喷丸强化方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、对薄壁结构件进行厚度分析，筛选出N个特征厚度值；S2、确定薄壁结构件各厚度处的最优光斑尺寸；S3、确定薄壁结构件的激光喷丸路径；S4、以步骤S3所述的激光喷丸路径对薄壁结构件进行激光喷丸；其中，当所述薄壁结构件为等厚度薄壁结构件时，N＝1；当所述薄壁结构件为变厚度薄壁结构件时，N≥2。

【技术特征摘要】
1.一种薄壁结构件的单侧激光喷丸强化方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、对薄壁结构件进行厚度分析，筛选出N个特征厚度值；S2、确定薄壁结构件各厚度处的最优光斑尺寸；S3、确定薄壁结构件的激光喷丸路径；S4、以步骤S3所述的激光喷丸路径对薄壁结构件进行激光喷丸；其中，当所述薄壁结构件为等厚度薄壁结构件时，N＝1；当所述薄壁结构件为变厚度薄壁结构件时，N≥2。2.如权利要求1所述的薄壁结构件的单侧激光喷丸强化方法，其特征在于，所述厚度分析的方法为：对薄壁结构件的三维数字模型件进行厚度分析或对实体件用测厚仪进行厚度测量。3.如权利要求1所述的薄壁结构件的单侧激光喷丸强化方法，其特征在于，所述最优光斑尺寸的确定方法为：选取单一厚度的刀口试件，进行不同光斑尺寸的单侧激光喷丸...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡永祥，杨若愚，姚振强，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31